测斜仪器及其测斜原理韩志勇

测斜仪器及其测斜原理

韩志勇

1. 测斜仪器分类；2. 测斜原理；3. MWD 信号传输原理；

测斜仪器分类

测斜原理—液面原理• 1. 液面是水平的。井眼轴显示倾

斜的。液面与井眼轴线的法面的交角，即为井眼井斜角。

• 2. 氟氢酸测斜仪就是这个原理。• 3. 虹吸测斜仪也是应用此原理。

测斜原理—液面原理• HF 液面原理测斜定向：

– 齿刀上的齿尖所指方位，标志着造斜工具的工具面方位。– 测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀的

印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位；– 同时，氟氢酸液瓶的液面倾斜方位代表着井斜方位。于

是知道了工具面方位与井斜方位的关系。– 需在下钻前在裸眼内测得井斜方位；

测斜原理—重力原理1. 重锤罗盘照相

– 井斜角的定义就是：重力方向与井眼方向之间的夹角。所以可以利用重力原理测量井斜角。

– 悬挂的重锤，总是指向重力方向；

– 罗盘面上刻有许多同心圆，代表不同的角度。

– 对着罗盘照相，“十”字标记投影到罗盘面上，可以读到井斜角值。

– 重锤悬挂长度越长，测量范围就越小；

– 巧妙设计，可测 900 甚至 1200

井斜角。

L

Rtg 1

测斜原理—重力原理重锤打孔测井斜

• 重锤带尖；• 时钟控制；• 到时间后，

由时钟控制驱动弹簧，推动打孔纸板撞向重锤的尖部，从而打孔。

• 由孔眼位置可读井斜角。

测斜原理—重力原理3. 重力加速度计

• 原理：– 重力元在重力作用下要

发生位移，引起电容传感器的电容发生变化，此变化信号通过放大以后，使线圈产生一定的电流，该电流产生磁力使重力元复位。

– 重力元位移大小，反映在线圈给出的电压大小。

– 重力元的位移大小与重力元在空间的状态有关。

测斜原理—重力原理3. 重力加速度计• 重力元的空间状态：

– 水平状态，重力方向与位移方向一致，位移最大；

– 垂直状态，重力方向与位移方向垂直，位移为零；

– 倾斜状态，重力方向与位移方向有一定夹角，位移与角度 sinα成正比。

测斜原理—重力原理3. 重力加速度计

• 重力加速度计的布置– 在测斜仪器中，在

X ， Y ， Z 三个方向上，各装一个重力加速度计，则三个重力加速度计的测值是不同的。通过计算，可以算出重力方向与仪器轴线的夹角即井斜角的大小。

测斜原理—重力原理3. 重力加速度计—井斜角的计算

• Z 轴与重力方向 g的夹角 α ，即为所测点的井斜角。

• X 、 Y 、 Z 三轴的测值，分别为：GX 、 GY 、 GZ ，则：

Z

YX

G

GGtg

22

222sin

ZYX

Z

GGG

G

测斜原理—重力原理3. 重力加速度计—装置角的计算• 造斜工具下入时，若已知工具面与 X 方向一致，则在

井底平面上，高边方向与 X 方向的夹角，即为高边工具面角，即装置角。

测斜原理—重力原理3. 重力加速度计—装置角的计算

• 造斜工具下入时，若已知工具面与 X 方向一致，则在井底平面上，高边方向与 X 方向的夹角，即为高边工具面角，即装置角。

X

Yo

G

Gtg 1180

当 GX<0 时，用下式计算：X

Y

G

Gtg 1

当 GX>0 时，用下式计算：

测斜原理—重力原理3. 重力加速度计—装置角的计算

X

Yo

G

Gtg 1180

当 GX<0 时，用下式计算：

X

Y

G

Gtg 1

当 GX>0 时，用下式计算：

测方位原理—磁北原理磁北原理• 地球有个磁场，地球

上任一点都受到磁场的作用，该点的磁力线方向（即磁北方向）在一段时间内基本上是不变的。测的磁力线方向与井眼方位线的夹角，即是井斜方位角。

测方位原理—重力原理1. 磁罗盘

– 磁罗盘是中华民族的伟大发明。– 磁罗盘始终处于水平位置，并可自由转动，罗盘始

终指出磁北极的方向。– 与重锤罗盘和为一体，在测得井斜角的同时，也测

出井斜方位角。

测方位原理—磁北原理1. 磁罗盘

– 如果罗盘盘面上的方位标志，与地理方位相同，则“十”字标记落在低边方位线上。而井斜角是高边方位线与正北方位线的夹角。所以罗盘面上的读值与实际井斜方位相差 1800 。

– 为了丛罗盘盘面上直接读出井斜方位，需要将 N 和 S 位置互换，E 和 W 位置互换。

罗盘面方位与地理方位相反的情况

测方位原理—磁北原理1. 磁罗盘罗盘面方位与地理方位相反的情况


• 罗盘面方位与地理方位一致的情况：– “ 十”字标记是固定

在仪器的中心线上。井眼倾斜后，罗盘始终保持水平。在照相时， “十”字标记落在罗盘面上的井底上倾方位线 ( 即高边方位线 ) 上。所以这种罗盘盘面的方位标志不需要 N 、 S 互换， E 、 W 互换。


罗盘面方位与地理方位一致的情况：

E

NW

S

测方位原理—磁北原理2. 磁通门• 磁通门结构：

– 铁心上绕着两级线圈。– 初级线圈，先正向缠绕，然

后又反向缠绕。线圈内通交流电，不管电流大小和变化如何，线圈感应的磁场互相抵消为零。

– 次级线圈，仅一个方向缠绕，且不通电。在没有地球磁场情况下，也不会感应电流。

– 在地球磁场影响下，会感应出电流来。感应的电压大小与该点处地球磁场强度大小有关，与通过磁通门的磁通量多少有关。

测方位原理—磁北原理2. 磁通门

• 磁通门状态– 磁通门与磁力线方

向的关系状态不同，通过的磁通量多少就不同。

• 磁通门的布置– 磁通门在仪器中的

三个坐标方向布置，根据三个磁通门测得的磁通量的值，可以算出磁北方向与井眼方位的夹角，即井斜方位角。

测方位原理—磁北原理2. 磁通门—井斜方位角计算

• 将 X 、 Y 、 Z 各轴和井斜方向线都投影到水平面上；这时， Z 轴和高边方位、井斜方位，都在同一条线和同一方位上。

• 选择 V1 和 V2 两个坐标轴：– V1 轴与 Z 轴同向；– V2 轴与 V1 轴互相垂直

且自 V2 正方向顺时针90 度到达 V1 正方向；


• X 、 Y 、 Z三个方向上的三个磁通门的测值，分别为：HX 、 HY 、 HZ 。

• X 、 Y 、 Z三个方向上的三个重力加速度计的测值，分别为：GX 、 GY 、 GZ 。

• 将 HX 、 HY 、 HZ 测值分别分解到 V1 和 V2两个轴上。


• 这是水平面上的投影图。

• 显然，井斜方位角 φ 可用下式计算：

1

21

V

Vtg

当 V1>0 时，用下式计算：

1

21180V

Vtgo

当 V1<0 时，用下式计算：


cossincoscossin1 YXZ HHHV sincos2 XY HHV

Z

YX

G

GG 22

sin

g

GZcos

22sin

YX

Y

GG

G

22cos

YX

X

GG

G

)()(

)(22

1

2

YYXXZYXZ

XYYX

GHGHGGGH

GHGHg

V

Vtg

222ZYX GGGg


• 第二种计算方法：• X 、 Y 、 Z 三个方向上的三个磁

通门的测值，分别为： HX 、 HY 、HZ 。

• X 、 Y 、 Z 三个方向上的三个重力加速度计的测值，分别为： GX 、GY 、 GZ 。

• 当地的磁倾角为 β ；• 则测点的井斜方位角可用下式计

算：

222cos

sincos

ZYX

Z

HHH

H

此法仍需要判断！不可取！


• 第三种计算方法：• 根据 X 、 Y 、 Z三个方向上

的三个重力加速度计的测值（分别为： GX 、 GY 、 GZ ）可以求得 X 、 Y 、 Z三个坐标轴的正方向与重力线方向的三个夹角 θx 、 θ y 、 θz 。

• 由于三个加速度计的安置方向与三个磁通门的安置方向完全相同，所以，三个磁通门的正方向与重力线的夹角也等于： θx 、 θ y 、 θz 。


• 第三种计算方法：• 根据三个磁通门的正方向与重

力线的夹角也等于： θx 、 θ y 、 θz ，可以计算出三个磁通门正方向与水平线的最小夹角。 λx 、 λy 、 λz 。

• 计算三个磁通门测值在水平线上的投影之和 h ：

zzyyxx HHHh coscoscos

还没有完成！

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算

只用磁通门的测值，也可以完成井斜角、井斜方位角和装置角的计算。

已知：磁通门的三个测值分别为：Hx ， Hy ， Hz ；如图所示。


Q矢量乃是高边方向线。在 X 、 Y平面上。由于工具面方向与 Y 轴方向一致，则工具面角可用下式计算：

y

x

H

Htg

o

y

x

H

Htg 180

当 Hy >0 时，

当 Hy <0 时，


Q矢量乃是高边方向线。在 X 、 Y 平面上。

22yx HHQ

C矢量是用三个磁通门测值计算的磁力线方向。

222zyx HHHC


P矢量在水平面上，是 C矢量在水平面上的投影。 P矢量正是计算井斜方位角的起始边。

β 是磁力线和水平面的夹角，称为“磁倾角”。

222cos zyx HHH

cosCP


o

o

90

90

z

yx

H

HHtg

22

1

z

yxo

H

HHtg

22

190

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算Q矢量在 XY 平面上，而且处在高边方向； R矢量也在 XY 平面上，并且与 Q矢量垂直。则 R矢量应该于水平面平行。自 R矢量的正方向顺时针旋转 90o ，正好到达 Q矢量。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算由于 R矢量和 Q矢量在 XY 平面上互相垂直，而且 Q矢量是高边方向， R矢量是水平方向，所以，两个矢量投影到水平面上，也必然互相垂直。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算如果将三个磁通门的测值，分解到水平面上的 P坐标和 R 坐标轴上，则 P矢量和R矢量之和，就应该是磁北方位矢量。且：

22 PRH


井斜方位角是：以磁北方位线 (N矢量 ) 为始边，顺时针旋转转到井斜方位线 (P矢量即 Hz矢量或Q矢量在水平面上的投影 ) 上所转过的角度。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算问题在于如何将三个磁通门测值分解到 R矢量和 P矢量上。先看在 XY 平面上的投影。Hx 和 Hy 在 R 上的投影： sincos yx HHRHx 和 Hy 在 Q 上的投影：

cossin yx HHQ

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算Q矢量、 R矢量和 Hz矢量都投影到水平面上。R矢量没有变化， P矢量等于 Q矢量的投影，加上 Hz矢量的投影。

sincoscoscossin

sincos)cossin(

zyx

zyx

HHH

HHHP

sincos yx HHR

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算井斜方位角可用 R矢量和 P矢量计算出来。

P

Rtg

o

P

Rtg 180

当 P>0 时，

当 P<0 时，

测方位原理—陀螺原理

• 陀螺仪结构及原理：– 高速旋转的陀螺仪具有定

向性 ( 定轴性 ) 。加上内外框架，构成“万向机架”。只要陀螺轴的方向不变，与外框架构成一体的罗盘的方向也就不变。

– 在陀螺仪启动时，人为地使陀螺轴指向地理正北( 不是磁北 ) ，就可保证罗盘的 N 极始终指向地理正北。

– 如此即可以陀螺罗盘的正北作为参照方向，测量井斜方位。

测方位原理—陀螺原理– 陀螺轴的转速非常高，一般为

41500rpm ，还有更高转速的。– 制造要求整个仪器的内外框架的重心

(包括罗盘重量在内 ) ，必须与陀螺的重心完全重合。否则陀螺将会出现“进动”。

– 进动 (Precesion) ：由于陀螺质量偏心，使陀螺受到一个外力 A 的作用。在力 A的作用下，内框架并不转动，而是外框架转动一个角度 α ，这就会使罗盘的 N极偏离地理正北方位，从而影响陀螺仪的精度。

– 进动，表现在罗盘的 N 极偏离正北，称为“漂移 (Dift)”

即使陀螺仪的重心只有 10微米 (0.01毫米 ) 的偏差，也会使外框架的“进动”即陀螺的“漂移”达到每小时几度。

测方位原理—陀螺原理• 陀螺进动原理

ω

测方位原理—陀螺原理• 解决陀螺漂移问题的方法：

– 由于制造的原因，陀螺仪不可能绝对没有飘移。– 在内框架上装设水银开关或称扭矩开关。可根据已经出现的重

心偏离，给陀螺一个辅助扭矩，尽可能消除漂移。– 在测斜过程中，每隔 10 分钟，让陀螺静止 3 分钟，在同一深

度处，连续多拍几张照片。对比这几张照片，就可求得陀螺在这段时间内的漂移率。根据这个漂移率，就可修正每个时间正式测量的结果。

测方位原理—真北原理– 真北原理就是在测量过程中，仪器自动寻找地理北极，并以地理北极为准测量井斜方位。

– 质量为 m 的物体，绕 o － o 轴转动，线速度为 v ，旋转半径为 r ，则该物体具有角动量。角动量是一矢量，其标量为：

– 具有转动惯量 I 的物体，绕 ZZ 轴以角速度 ω 转动，则该物体具有角动量。其标量为：

oH

vmrHo

zHIH z

测方位原理—真北原理– 陀螺仪的转子在绕自身轴线转动时，

将具有角动量。– 其方向与陀螺轴线一致。– 角动量的大小与转动角速度 ω 和

转动惯量 I 有关。– 陀螺仪又是地球上的一个物体，将随地球一起绕地轴转动。所以陀螺仪还具有角动量。

– 其方向总与地轴正北方向一致。– 此角动量大小与陀螺仪质量 m ，

绕地轴转动的速度 v 和距地轴的距离 r 有关。而 v 和 r显然与陀螺仪所在地点的纬度有关。

zH

oH

测方位原理—真北原理

– 反映了陀螺轴线方向；

– 反映了地轴正北方向；– 一般来说，二方向不一

致。

zo HHH

zH oH

IvmrH

zH oH

H

zH

oH

– 陀螺仪具有的总的角动量为：

– 当和方向一致时，

– 当和方向不一致时，要用矢量合成求得

测方位原理—真北原理– 现在我们强迫改变陀螺轴的方向，即改变的方向，使其方向与相一致。

– 这样作，需要给陀螺轴一个外力距– 此外力矩的大小，反映了和

的差别。

zH

M

oHzH

zo HHH

oH

测方位原理—真北原理– 实际测量前，在地面上将与的水平分量调为一致。

– 以此时需要的外力距作为零点。仪器在井下测斜过程中，陀螺轴线随着井眼方向的变化而不断变化。这种变化时强迫性的。使之强迫变化的外力距也在不断变化。

– 显然，就反映了井眼轴线的方向与正北方向的差别，于是可以计算出井眼方位角来。

oHHzH oH

HM

M

HMM

惯性导航原理• 导弹、卫星、航天器等的导航，潜水艇和大海航行的导航，

在没有参照系可循的情况下，使用惯性导航。• 在惯性导航仪器中的 N 、 E 、 H三个方向，装有三个加速

度计，和三个方向的陀螺仪。三个方向的陀螺仪，保证三个方向的加速度计指向始终与 N 、 E 、 H三个方向一致。

• 从仪器下井开始，不断地记录三个加速度计的测值。不断地根据三个加速度计测的三个轴向的加速度对时间的积分，算出仪器在三个轴向的运行速度，再根据速度对时间的积分，不断地算出仪器在三个轴向 N 、 E 、 H 的位移增量。

• 每隔 10秒钟，给出一组测点的 N 、 E 、 H 坐标值。• 如果想计算每个测点的井斜角、井斜方位角以及井眼曲率等参数，可以采用反算法。

各种方法精度对比

仪器每 10000英尺测深的位移误差仪器外径使用的局限性

磁性仪器 200英尺 2.25英寸磁干扰及磁场变化

自由陀螺 100英尺 2 ～ 3英寸进动漂移

找北陀螺 20 ～ 30英尺 1.75 ～ 3英寸

惯性导航 1英尺 10.6英寸直径太大，结构复杂

MWD 原理简介—组成• MWD(随钻测量系统 )

– 开始出现随钻测斜 SWD(Survey While Drilling) ；– 后来出现随钻测量 MWD(Measurement While

Drilling) ；– 可测内容：井斜参数 ( 井斜角、井斜方位角 ) ；定向参数 ( 工具面角 ) ；地层参数 ( 电阻、伽码等 ) ；工艺参数 ( 钻压、转速等 ) ；泥浆参数 ( 井温、压力等 ) ；

– MWD三大组成部分：• 井下测量部分：各种参数的传感器、输出测量信号等；

• 信号传输部分：编码器、传送部分、动力部分；• 地面接收部分：译码器、计算、显示、存储、打印等；

– 三部分中，难度最大的时传输部分。

MWD 原理简介—电缆传输法• 电缆传输法的优点：

– 信息传输效率高，速度快，信息量大，可进行实时传输；– 不需要井下电源，地面电源通过电缆传导井下；– 可以双向通信，形成闭环控制；– 不存在信息衰减问题，没有井深限制；

• 1. 电缆钻杆：– 特制的钻杆，电缆埋在钻杆壁里。特殊接头，不仅可连接钻杆，还

可连接电缆。– 缺点：电缆钻杆制作太复杂；

• 2. 有线随钻：– 仪器和电缆从测入接头进入钻杆水眼，并下入到井下。缺点：

– 下入后不能接单跟；– 无法进行旋转钻进；– 电缆容易磨损；等等

MWD 原理简介—电磁波及声波传输法• 电磁波传输法：

– 电磁波可以传输电视、广播、电报等等，原理上可以传输井下测量信号，实际上困难很大；

– 主要问题是：传播介质是井内泥浆和地层岩石，信号衰减太厉害；

– 至今未见应用；

• 声波传输法：– 地面制造地震波，传导井下后在反射回到地面，接受后可以得到地层信息，原理上也可以将井下测量信息传导地面上。

– 但是实际上困难很大，主要问题也是信号衰减严重，受到的干扰太多。

– 现在还在研究中。

MWD 原理简介—泥浆压力脉冲传输法

• 钻柱内外都有泥浆，泥浆有压力，在井下制造一个压力脉冲，通过钻柱内的泥浆传导地面上。在立管上可以接受到此压力波。传播速度 1400 ～ 1500 米 /秒。

• 正脉冲：平时凡尔打开，立管压力正常，凡尔被堵时压力突然增高，发出一个脉冲信号。压力增高代表“ 1” ；压力不增高代表“ 0” 。

• 负脉冲：平时凡尔堵住，立管压力正常，凡尔打开时将井内与环空连通，相当于循环短路，压力突然降低，发出一个负脉冲信号。

• 主要缺点：传输速度慢。一个脉冲 5秒钟，传一个参数需要 1 ～ 2 分钟。

MWD 原理简介—连续波传输法• 两个大小形状完全相同的

盘子，开着同样的槽口。一个是静盘，一个动盘。马达带动动盘连续旋转，槽口连续“被堵”和“开通”，造成连续波形。

• 动盘转速不同，得到的连续波形就不一样。

• 只要有两种波形就够了，一种代表“ 1” ，一种代表“ 0” 。

• 每秒钟可发出三个波形，传输一个参数，只需要 9秒钟。

测斜仪器及其 测斜原理 韩志勇

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